KR20220048826A - 막-전극 접합체 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조장치에 관한 것으로, 일 실시예에서, 롤 형상의 전해질막을 공급하는 전해질막 공급수단; 하부면에 소정 형상의 제1 촉매전극층이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 제1 전사필름을 공급하는 제1 전사필름 공급수단; 및 표면에 형성된 하나 이상의 돌출면을 구비하고 이 돌출면이 제1 촉매전극층을 상기 전해질막에 밀착시켜 가열 가압하도록 구성된 제1 히팅롤;을 포함하고, 상기 제1 히팅롤의 가열 가압에 의해 제1 촉매전극층을 상기 전해질막에 전사하는 막전극 접합체 제조장치를 제공한다.

Description

막-전극 접합체 제조장치 및 제조방법 {Apparatus and method for manufacturing membrane-electrode assembly}
본 발명은 연료전지 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연료전지의 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 제조하는 연료전지용 막전극 접합체 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생산하며 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 공급받아 지속적인 발전이 가능하다는 특징이 있다.
연료전지는 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판을 배치한 구조를 가지므로 막전극 접합체는 연료전지의 핵심부품이라 할 수 있다.
일반적인 막전극 접합체는 수소이온이 이동하는 전해질막(membrane)을 사이에 두고 전해질막의 양쪽면에 각각 애노드 촉매전극층과 캐소드 촉매전극층이 형성된 3-레이어(3-layer) 구조를 가지며, 이러한 3-레이어 구조의 막전극 접합체를 제조하는 방식으로는 직접 코팅(Direct Coating) 방식과 데칼(Decal) 방식이 있다.
이 중에서 데칼 방식은 예컨대 도1에 도시한 제조장치로 제조될 수 있는데, 도1에서 한 쌍의 히팅롤(7,8) 사이로 전해질막(1)과 전사필름(2,4)이 공급된다. 상부 전사필름(2)의 하면과 하부 전사필름(4)의 상면에 각각 촉매전극층(3,5)이 코팅되어 있고, 히팅롤(7,8)이 일정 시간 간격마다 전해질막(1)과 전사필름(2,4)을 밀착하고 가열 가압하여 촉매전극층(3,5)을 전해질막(1)으로 각각 전사함으로써 3-레이어 구조의 막전극 접합체를 제조할 수 있다.
이러한 데칼 방식의 제조 공정은 제조 속도를 향상시킬 수 있기 때문에 양산에 유리하다는 이점이 있다. 그러나 전사필름(2,4)에 코팅된 상당량의 촉매전극층(3,5)이 전해질막(1)으로 전사되지 않고 버려지는데 촉매전극층의 재료 비용이 상대적으로 비싸므로 막전극 접합체 제조비용이 증가하는 단점이 있고, 또한 촉매전극층(3,5)이 전해질막(1)에 전사될 때 전해질막(1)의 양면의 정확히 마주보는 위치에 정렬되어 코팅되어야 하는데 이러한 촉매전극층(3,5)의 정렬이 쉽지 않은 문제가 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2015-0120790호 (2015년 10월 28일 공개) 특허문헌2: 일본 등록특허 제5017776호 (2012년 6월 22일 등록)
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 전해질막에 전사되지 않고 버려지는 촉매전극층의 양을 최소화하면서 전해질막 양면에 코팅되는 촉매전극층의 위치를 정확히 정렬하여 막전극 접합체를 제조할 수 있는 막전극 접합체 제조장치 및 이를 위한 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조장치로서, 롤 형상의 전해질막을 공급하는 전해질막 공급수단; 하부면에 소정 형상의 제1 촉매전극층이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 제1 전사필름을 공급하는 제1 전사필름 공급수단; 및 표면에 형성된 하나 이상의 돌출면을 구비하고 이 돌출면이 제1 촉매전극층을 상기 전해질막에 밀착시켜 가열 가압하도록 구성된 제1 히팅롤;을 포함하고, 상기 제1 히팅롤의 가열 가압에 의해 제1 촉매전극층을 상기 전해질막에 전사하는 것인, 막전극 접합체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조방법으로서, 하부면에 소정 형상의 촉매전극층이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 전사필름을 롤 형상의 전해질막의 상측으로 공급하는 단계; 및 표면에 하나 이상의 돌출면이 형성된 히팅롤을 이용하여 상기 촉매전극층을 상기 전해질막의 상부면에 전사하는 단계;를 포함하고, 상기 전사하는 단계에서, 상기 히팅롤의 돌출면이 상기 촉매전극층을 상기 전해질막의 상부면에 밀착시키고 가열 가압하여 상기 촉매전극층을 상기 전해질막에 전사하는 것인, 막전극 접합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부 및 하부 전사필름에 일정 크기의 촉매전극층을 소정 간격으로 코팅하여 히팅롤 측으로 공급하기 때문에 전해질막에 전사되지 않고 버려지는 촉매전극층의 양을 최소화하는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 상부 및 하부 히팅롤의 표면에 형성된 돌출면으로 전해질막과 전사필름을 가열 가압하여 촉매전극층을 전사하도록 구성하고, 히팅롤의 전단이나 후단의 위치센서를 이용하여 촉매전극층 및/또는 잔여 촉매전극층의 위치를 감지하고 이에 기초하여 상부 히팅롤과 하부 히팅롤간의 정렬 및 전사필름과 히팅롤간의 정렬을 수행할 수 있으므로, 전해질막 양면에 코팅되는 촉매전극층의 위치를 정확히 정렬하여 막전극 접합체를 제조할 수 있는 이점이 있다.
도1은 종래의 막전극 접합체(MEA) 제조장치를 설명하는 도면,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체(MEA) 제조장치를 설명하는 도면,
도3은 일 실시예에 따른 상부 전사필름을 설명하는 도면,
도4는 일 실시예에 따른 히팅롤을 설명하는 도면,
도5는 상부 전사필름의 촉매전극층이 전해질막에 전사되는 과정을 설명하는 도면,
도6은 상부 전사필름에 코팅된 촉매전극층의 단면을 설명하는 도면,
도7은 막전극 접합체 제조시 일 실시예에 따른 장치 제어방법을 설명하는 도면,
도8은 막전극 접합체 제조시 다른 일 실시예에 따른 장치 제어방법을 설명하는 도면,
도9는 다른 일 실시예에 따른 막전극 접합체(MEA) 제조장치를 설명하는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 이와 유사하게, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)된다고 언급하는 경우 그것은 다른 구성요소에 직접적으로 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)되거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소를 개재하여 간접적으로 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 본 명세서의 도면들에 있어서 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 구성요소의 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '~를 포함한다', '~로 구성된다', 및 '~으로 이루어진다'라는 표현은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 구성요소(A)가 다른 구성요소(B)의 "전단"에 위치한다는 것은 롤투롤 필름의 이송경로에 대해 구성요소(A)가 구성요소(B)에 비해 더 상류측에 위치함을 의미한다. 예를 들어 도2에서 전해질막(10)과 전사필름(20, 30)이 도면상의 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 이송되므로 카메라(71,72)가 히팅롤(50,60)의 '상류'에 또는 '전단'에 위치한다고 표현할 수 있고, 마찬가지로, 카메라(73,74)는 히팅롤(50,60)의 '하류'에 또는 '후단'에 위치한다고 표현할 수 있음을 이해할 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 막전극 접합체(MEA) 제조장치(100)를 개략적으로 나타내었다. 도면을 참조하면, 제1 실시예에 따른 막전극 접합체 제조장치(100)는 전해질막 공급수단(11,12), 상부 전사필름 공급수단(21,22), 하부 전사필름 공급수단(31,32), 상부 히팅롤(50), 하부 히팅롤(60), 복수의 위치센서(71,72,73,74), 및 제어부(40)를 포함할 수 있다.
전해질막 공급수단은 예를 들어 전해질막(10)을 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 공급하는 장치로서 공급롤(11)과 회수롤(12)을 구비한다. 전해질막(10)은 공급롤(11)에 롤(roll) 형태로 감겨져 있다가 언와인딩(un-winding)되어 히팅롤(50,60)측으로 공급될 수 있고, 전해질막(10)의 양면에 촉매전극층(25,35)이 전사되어 인쇄된 후 회수롤(12)에서 다시 롤 형태로 리와인딩(re-winding)될 수 있다.
일 실시예에서 전해질막(10)은 예를 들면 기재 상에 전도성 고분자 전해질을 함유하는 용액을 도포하고 건조하여 형성될 수 있으며, 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 퍼플루오로설폰산 수지(예를 들어 상품명 "Nafion")로 제조될 수 있다. 그러나 본 발명에서 전해질막(10)의 재질은 이에 제한되지 않음은 물론이다.
일 실시예에서 상부 전사필름 공급수단은 상부 전사필름(20)을 롤투롤 방식으로 전해질막(10)의 상부면 측으로 공급하는 장치이며 공급롤(21)과 회수롤(22)로 구성될 수 있다. 상부 전사필름(20)의 하부면에는 소정 형상의 제1 촉매전극층(25)이 일정 간격으로 코팅되어 있으며, 상부 전사필름(20)과 전해질막(10)이 밀착한 상태에서 상부 히팅롤(50)의 열 압착에 의해 제1 촉매전극층(25)이 전해질막(10)으로 전사(transfer) 될 수 있도록 구성된다.
상부 전사필름(20)의 재질은 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE) 등의 불소계 수지, 폴리에스터 필름, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등의 고분자 필름 등으로 제조될 수 있다. 그러나 상부 전사필름(20)은 이러한 재질에 한정되지 않으며 제1 촉매전극층(25)이 열 압착에 의해 전해질막(10)으로 양호하게 전사될 수 있는 임의의 재질로 구성될 수 있다. 또한 후술하겠지만 위치센서(71,73)가 상부 전사필름(20) 반대편의 제1 촉매전극층(25)을 감지할 수 있도록, 상부 전사필름(20)이 투명 또는 반투명의 재질로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
제1 촉매전극층(25)은 예를 들어 촉매 페이스트를 제조한 후 상부 전사필름(20)에 소정 두께로 코팅하여 형성될 수 있다. 촉매 입자를 담지시킨 탄소 입자 및 수소이온 전도성 고분자 전해질을 적당한 용제에 혼합 분산하여 촉매 페이스트를 제조할 수 있고, 촉매 페이스트를 예컨대 스크린 인쇄나, 그라비어 인쇄, 나이프 코팅, 바 코팅, 롤 코팅, 다이 코팅, 커튼 코팅 등의 공지의 인쇄방법으로 상부 전사필름(20)에 코팅할 수 있다.
촉매 입자로서는, 예를 들어 백금이나 백금 화합물 등을 사용할 수 있고, 백금 화합물로서는 예를 들어 루테늄, 팔라듐, 니켈, 몰리브덴, 이리듐, 철 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속과 백금과의 합금 등을 사용할 수 있다. 또한 수소이온 전도성 고분자 전해질로서는 상술한 전해질막(10)에 사용되는 것과 같은 재료를 사용할 수 있으며, 용제로서는 각종 알코올류, 각종 에테르류, 각종 디알킬 술폭시드 종류, 물 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
각각의 제1 촉매전극층(25)은 상부 전사필름(20)에 이송방향을 따라 일렬로 배치되어 코팅될 수 있다. 대안적 실시예에서 각각의 제1 촉매전극층(25)이 이송방향을 따라 복수의 열로 배열되어 상부 전사필름(20)에 코팅될 수 있다. 예를 들어 도3은 상부 전사필름(20)의 하부면, 즉 아래에서 위쪽을 향해 바라본 모습을 개략적으로 도시한 것으로, 제1 촉매전극층(25)들이 이송방향을 따라 2열로(즉, 상부 전사필름(20)의 폭 방향으로 2개씩) 배열되고 서로 간에 소정 간격 이격되어 코팅된 형태를 예시적으로 나타내었다.
하부 전사필름 공급수단은 하부 전사필름(30)을 롤투롤 방식으로 전해질막(10)의 하부면 측으로 공급하는 장치이며 공급롤(31)과 회수롤(32)로 구성될 수 있다. 하부 전사필름(30)의 상부면에는 소정 형상의 제2 촉매전극층(35)이 일정 간격으로 코팅되어 있다. 하부 전사필름(30)과 전해질막(10)이 밀착한 상태에서 하부 히팅롤(60)의 열 압착에 의해 제2 촉매전극층(35)이 전해질막(10)으로 전사될 수 있도록 구성된다. 하부 전사필름(30) 및 제2 촉매전극층(35)의 재질은 각각 상부 전사필름(20) 및 제1 촉매전극층(20)과 동일 또는 유사하므로 설명을 생략한다.
막전극 접합체 제조장치(100)는 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60)을 구비한다. 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60)은 전해질막(10)의 이송 경로상에서 상하 방향으로 나란히 배치된다. 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60) 사이에 소정의 이격된 틈이 있고 이 틈으로 전해질막(10)과 상부 전사필름(20) 및 하부 전사필름(30)이 서로 밀착하여 통과한다. 상부 및 하부 히팅롤(50,60)의 각각은 소정의 고온으로 가열될 수 있고, 이들 사이를 통과하는 전해질막(10)과 상부 및 하부 전사필름(20,30)을 가열 및 압착하여 상부 및 하부 전사필름(20,30)의 촉매전극층(25,35)을 각각 전해질막(10)의 상부면과 하부면으로 전사할 수 있다.
일 실시예에서 상부 히팅롤(50)은 외주면에 하나 이상의 돌출면(55)을 구비하며, 이 돌출면(55)이 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)을 가열 및 가압하여 제1 촉매전극층(25)을 전해질막(10)의 상부면으로 전사할 수 있다. 또한 하부 히팅롤(60)은 외주면에 하나 이상의 돌출면(65)을 구비하며, 이 돌출면(65)이 하부 전사필름(30)의 제2 촉매전극층(35)을 가열 및 가압하여 제2 촉매전극층(35)을 전해질막(10)의 하부면으로 전사할 수 있다.
이와 관련하여 도4는 일 실시예에 따른 상부 히팅롤(50)을 개략적으로 도시하였다. 도시한 실시예에서 상부 히팅롤(50)은 샤프트(53)를 따라 회전하는 원통 또는 원기둥 형상의 본체(51) 및 본체(51)의 외주면에 일정 간격으로 형성된 복수개의 돌출면(55)을 구비하며 이 돌출면(55)이 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)과 밀착하여 가열 가압함으로써 제1 촉매전극층(25)을 전해질막(10)으로 전사한다. 이를 위해 돌출면(55)의 각각은 제1 촉매전극층(25)과 동일한 형상을 가지며, 각 돌출면(55)이 제1 촉매전극층(25)의 각각에 하나씩 밀착하여 가열 가압할 수 있도록 돌출면(55)과 제1 촉매전극층(25)이 정렬된다. 예를 들어 도3에서 제1 촉매전극층(25)이 2열로 배열되어 상부 전사필름(20)에 코팅되어 있으므로, 도4에 도시한 것처럼 상부 히팅롤(50)에도 돌출면(55)이 히팅롤(50)의 폭 방향으로 2개씩 형성되어 있으며, 상부 전사필름(20)이 상부 히팅롤(50)을 통과할 때 히팅롤(50)의 각각의 돌출면(55)이 각각의 제1 촉매전극층(25)과 하나씩 밀착하며 가열 가압하도록 구성된다. 또한 도면에 도시하지 않았지만 하부 히팅롤(60)의 돌출면(65)과 하부 전사필름(30)의 제2 촉매전극층(35)도 상술한 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)과 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)의 대응 관계와 동일 또는 유사하게 구성되므로 설명을 생략한다.
일 실시예에서, 상부 히팅롤(50)의 각각의 돌출면(55)의 면적이 상부 전사필름(20)의 각각의 제1 촉매전극층(25)의 면적과 동일하거나 그 보다 클 수 있다. 그러나 대안적인 일 실시예에서 상부 히팅롤의 돌출면(55)의 면적이 제1 촉매전극층(25)의 면적보다 작은 것이 바람직할 수 있으며, 이 경우 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)이 제1 촉매전극층(25)을 가열 가압하여 전사할 때 제1 촉매전극층(25)의 가장자리 영역이 전해질막(10)에 전사되지 않도록 구성할 수 있다. 마찬가지로, 하부 히팅롤(60)의 돌출면(65)의 면적이 하부 전사필름(30)의 각각의 제2 촉매전극층(35)의 면적과 동일하거나 클 수 있으나, 대안적인 실시예에서 하부 히팅롤의 돌출면(65)의 면적이 제2 촉매전극층(35)의 면적보다 작으며, 이 경우 하부 히팅롤의 돌출면(65)이 제2 촉매전극층(35)을 가열 가압하여 전사할 때 제2 촉매전극층(35)의 가장자리 영역이 전해질막(10)에 전사되지 않도록 구성할 수 있다.
예를 들어 도5는 상부 전사필름(20)을 하부면을 아래에서 위쪽으로 바라본 모습을 개략적으로 도시한 것으로, 돌출면(55)의 면적이 제1 촉매전극층(25)의 면적보다 작은 경우 제1 촉매전극층(25)을 전해질막(10)에 전사하는 과정을 개략적으로 도시하였다.
도5에서 상부 전사필름(20)이 왼쪽에서 오른쪽으로 이송되어 상부 히팅롤(50)을 통과하면서 제1 촉매전극층(25)이 전해질막(10)(도5에서는 도시 생략)에 전사되고 있는데, 히팅롤의 돌출면(55)의 면적이 제1 촉매전극층(25) 보다 작기 때문에, 돌출면(55)에 의해 가열 가압되는 영역, 즉 도5에서 제1 촉매전극층(25)의 중심 영역(26)이 전해질막(10)에 전사되고 제1 촉매전극층(25)의 가장자리 영역(27)(이하 '잔여 촉매전극층'이라고도 함)은 전사되지 않고 상부 전사필름(20)에 남아있게 된다.
도6은 도3의 A-A' 라인 또는 B-B' 라인을 따른 단면을 도시한 것으로, 상부 전사필름(20)과 제1 촉매전극층(25)의 단면을 개략적으로 나타내었다. 제1 촉매전극층(25)이 상부 전사필름(20)의 하부면에 코팅되어 있지만 도6에서는 설명의 편의를 위해 상부 전사필름(20)의 윗면에 제1 촉매전극층(25)을 도시하였다.
도6에서 도시한 것처럼, 전사필름(20)에 촉매전극층(25)을 아무리 정밀하게 코팅하더라도 균일한 두께로 코팅하는 것이 어려우며, 일반적으로 촉매전극층(25)의 가장자리(에지) 영역에서 촉매전극층(25)의 두께가 중심 영역보다 두껍게 코팅된다. 이러한 두께 불균일은 촉매전극층(25)의 코팅방식이나 코팅 두께에 따라 달라질 수 있는데, 예를 들어 두께(H1)가 100㎛인 촉매전극층(25)을 전사필름(20)에 코팅하는 경우, L1의 폭(또는 길이)를 갖는 중심 영역에 비해 촉매전극층(25)의 가장자리 영역의 높이(H2)가 대략 20㎛ 내지 30㎛ 가량 높고 이 때의 가장자리 영역의 폭(L2)은 대략 수백 ㎛ 내지 수 mm 정도 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 히팅롤의 돌출면(55)의 면적을 촉매전극층(25) 보다 작게 구성하여 두께의 오차가 발생하는 촉매전극층(25)의 가장자리 영역을 전사하지 않도록 한다. 예컨대 히팅롤(50)의 돌출면(55)이 촉매전극층(25)의 중심 영역에만 밀착하여 가열 가압하도록 구성할 수 있고, 이에 따라 도5에 도시한 것처럼 두께가 균일한 촉매전극층(25)의 중심 영역(26)만 전해질막(10)으로 전사하여 막전극 접합체를 제조할 수 있으므로 막전극 접합체의 촉매전극층(25,35)을 균일한 두께로 코팅할 수 있어 막전극 접합체의 품질 향상에 기여할 수 있다.
다시 도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 막전극 접합체 제조장치(100)는 복수개의 위치센서를 더 포함할 수 있다. 도시한 실시예에서 막전극 접합체 제조장치(100)는 히팅롤(50,60)의 상류측에 배치되는 전단 위치센서(71,72) 및 히팅롤(50,60)의 하류측에 배치되는 후단 위치센서(73,74)를 포함한다.
전단 위치센서는 제1 위치센서(71)와 제2 위치센서(72)로 이루어진다. 제1 위치센서(71)는 제1 전사필름(20)의 상부측에 배치되어 제1 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)의 위치를 감지할 수 있고 제2 위치센서(72)는 제2 전사필름(30)의 하부측에 배치되어 제2 전사필름(30)의 제2 촉매전극층(35)의 위치를 감지할 수 있다.
후단 위치센서는 제3 위치센서(73)와 제4 위치센서(74)로 이루어진다. 제3 위치센서(73)는 제1 전사필름(20)의 상부측에 배치되고 제1 전사필름(20)에 남겨진 잔여 촉매전극층(27)의 위치를 감지할 수 있고 제4 위치센서(74)는 제2 전사필름(30)의 하부측에 배치되고 제2 전사필름(30)에 남겨진 잔여 촉매전극층(37)의 위치를 감지할 수 있다.
제1 내지 제4 위치센서(71,72,73,74)의 각각은 전사필름(20,30)에 코팅된 촉매전극층(25,35) 또는 잔여 촉매전극층(27,37)의 가시광 이미지를 촬영하는 비전 센서로 구현될 수도 있고, 대안적으로 초음파, 레이저, 적외선 등과 같은 전자기파를 조사하여 촉매전극층이나 잔여 촉매전극층을 감지하는 공지 기술의 위치센서로 구현될 수도 있다.
일 실시예에서 이러한 위치센서(71,72,73,74)에서 출력되는 데이터는 제어부(40)로 전송되고, 제어부(40)는 위치센서(71,72,73,74)로부터 수신한 데이터에 기초하여 상부 및 하부 히팅롤(50,60) 및 전사필름 공급수단을 제어할 수 있다.
예를 들어 제어부(40)는 위치센서(71,72,73,74)의 감지 결과에 기초하여 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60) 중 적어도 하나의 회전속도를 제어하여 두 히팅롤(50,60)의 서로 마주보는 돌출면(55,65)이 정확히 일치하도록 정렬할 수 있으며, 이에 의해 전해질막(10)의 상부면과 하부면의 정확히 마주보는 영역에 제1 촉매전극층(25)과 제2 촉매전극층(35)이 코팅될 수 있도록 한다.
또한 제어부(40)는 위치센서(71,72,73,74)의 감지 결과에 기초하여 상부 전사필름 공급수단의 공급롤(21)과 회수롤(22) 중 적어도 하나의 회전속도 제어 및/또는 사행제어를 수행하여 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)과 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)의 위치를 정렬시키거나 하부 전사필름 공급수단의 공급롤(31)과 회수롤(32) 중 적어도 하나의 회전속도를 제어하여 하부 전사필름(30)의 제2 촉매전극층(35)과 하부 히팅롤(60)의 돌출면(65)의 위치를 정렬시킬 수 있고, 이에 의해 제1 또는 제2 촉매전극층(25,35)의 중심 영역만 전해질막(10)으로 전사하고 가장자리 영역(27,37)은 전사되지 않고 전사필름(20,30)에 남겨지도록 하여 막전극 접합체가 균일한 두께의 촉매전극층을 가질 수 있도록 한다.
제어부(40)는 상술한 기능을 수행할 수 있도록 프로그램된 소프트웨어 및 필요에 따라 이를 지원하는 하드웨어로 구성될 수 있고, 이러한 소프트웨어는 임의의 컴퓨팅 장치 내에 저장되어 있다가 메모리로 로딩된 후 컴퓨터 프로세서의 제어 하에 실행되어 상술한 제어 동작을 수행할 수 있다.
도7은 막전극 접합체 제조시 일 실시예에 따른 장치 제어방법을 나타낸 흐름도이다. 도면을 참조하면, 우선 단계(S110)에서 전해질막(10)과 상부 및 하부 전사필름(20,30)을 상부 및 하부 히팅롤(50,60)측으로 공급한다. 예를 들어 도2에 도시한 것처럼, 전해질막(10)을 히팅롤(50,60)측으로 공급함과 동시에, 하부면에 소정 형상의 제1 촉매전극층(25)이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 상부 전사필름(20)을 롤 형상의 전해질막(10)의 상측으로 공급하고 상부면에 소정 형상의 제2 촉매전극층(35)이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 하부 전사필름(30)을 전해질막(10)의 하측으로 공급한다.
공급되는 상부 전사필름(20)은 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)에 의해 전해질막(10)의 상부면에 밀착하여 가열 가압되어 제1 촉매전극층(25)이 전해질막(10)에 전사되고, 하부 전사필름(30)은 하부 히팅롤(60)의 돌출면(65)에 의해 전해질막(10)의 하부면에 밀착하여 가열 가압되고 제2 촉매전극층(35)이 전해질막(10)에 전사된다.
이러한 막전극 접합체의 제조시 단계(S120)에서 후단 위치센서, 즉 제3 및 제4 위치센서(73,74)를 이용하여 제1 촉매전극층(25)의 전사된 영역(즉, 도5의 26) 및 제2 촉매전극층(35)의 전사된 영역의 위치를 각각 감지한다. 이러한 촉매전극층의 전사된 영역은 예컨대 제3 및 제4 위치센서(73,74)가 촬영한 잔여 촉매전극층(27,37)의 이미지 데이터를 제어부(40)에서 분석하여 획득할 수 있다.
단계(S130)에서, 각 촉매전극층(25,35)의 제거된 영역의 위치가 검출되면 이 검출 결과에 따라 상부 히팅롤의 돌출면(55)과 하부 히팅롤의 돌출면(65)이 서로 정확히 정렬되어 있는지 확인할 수 있고, 두 돌출면(55,65)이 정렬되지 않았다고 판단할 경우 서로 어긋난 거리만큼 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60) 중 적어도 하나의 속도를 일시 가속하거나 감속하여 돌출면(55,65)의 위치를 정렬시킬 수 있다.
이와 같이 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60)의 위치가 정렬되면, 그 후 단계(S140)에서, 전단 위치센서, 즉 제1 및 제2 위치센서(71,72)를 이용하여 제1 촉매전극층(25)과 제2 촉매전극층(35)의 각각의 위치를 감지하고, 단계(S150)에서 제어부(40)는 이러한 촉매전극층의 위치 감지 결과에 따라 상부 전사필름(20)과 하부 전사필름(30)의 이송 속도를 조절할 수 있다. 예를 들어 전단의 제1 위치센서(71)의 감지 결과 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)이 이송방향에 대해 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)과 정확히 정렬되지 않았다고 판단한 경우 제어부(40)가 공급롤(21)이나 회수롤(22)의 회전속도를 일시 가속 또는 감속하여 제1 촉매전극층(25)과 돌출면(55)의 위치를 정렬시킬 수 있다. 또는, 만일 전단의 제1 위치센서(71)의 감지 결과 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)이 폭방향에 대해 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)과 정확히 정렬되지 않았다고 판단하면, 제어부(40)가 상부 전사필름(20)에 대한 사행제어를 수행하여 제1 촉매전극층(25)과 돌출면(55)의 폭방향 위치를 정렬시킬 수 있다.
도8은 막전극 접합체 제조시 다른 일 실시예에 따른 장치 제어방법을 나타낸 흐름도이다. 도8에서 단계(S210)는 상부 및 하부 히팅롤(50,60)을 향해 전해질막(10)과 상부 및 하부 전사필름(20,30)을 공급하여 막전극 접합체를 제조하는 단계이고 단계(S220, S230)는 후단 위치센서(73,74)를 이용하여 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60)을 정렬하는 단계이며, 이 단계들(S210 내지 S230)은 도7의 단계(S110 내지 S130)에 각각 대응하므로 설명을 생략한다.
도8에서, 단계(S230)를 통해 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60)의 위치를 정렬되면, 그 후 단계(S240)에서, 후단 위치센서, 즉 제3 및 제4 위치센서(73,74)를 이용하여 제1 촉매전극층(25)과 제2 촉매전극층(35)의 각각에서 전해질막(10)으로 전사되고 남은 잔여 촉매전극층(27,37)을 감지한다. 예를 들어 제3 및 제4 위치센서(73,74)가 각각 상부 전사필름(20)과 하부 전사필름(30)의 잔여 촉매전극층(27,37)을 촬영하고 이 촬영된 데이터를 제어부(40)로 전송하고, 제어부(40)는 전사필름(20,30)에서 전해질막(10)으로 촉매전극층이 전사되어 제거된 영역을 둘러싸는 잔여 촉매전극층(27,37)의 폭(L2)을 측정할 수 있다.
그 후 단계(S250)에서, 잔여 촉매전극층(27,37)의 감지 결과에 기초하여 전사필름 공급롤의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어 전단의 제1 위치센서(71)의 감지 결과 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)이 이송방향에 대해 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)과 정확히 정렬되지 않았다고 판단한 경우 제어부(40)가 공급롤(21)이나 회수롤(22)의 회전속도를 조절하여 제1 촉매전극층(25)과 돌출면(55)의 위치를 정렬시킬 수 있다. 또한, 만일 전단의 제1 위치센서(71)의 감지 결과 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)이 폭방향에 대해 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)과 정확히 정렬되지 않았다고 판단하면, 제어부(40)가 상부 전사필름(20)에 대한 사행제어를 수행하여 제1 촉매전극층(25)과 돌출면(55)의 폭방향 위치를 정렬시킬 수 있다.
도9는 제2 실시예에 따른 막전극 접합체 제조장치(200)를 설명하는 도면이다. 도9의 제2 실시예에서 막전극 접합체 제조장치(200)는 전해질막 공급수단(11,12), 상부 전사필름 공급수단(21,22), 하부 전사필름 공급수단(31,32), 상부 히팅롤(50), 하부 히팅롤(60), 복수의 위치센서(71,72,73,74), 및 제어부(40)를 포함하는 점에서 도2의 제1 실시예의 제조장치(100)와 유사하며, 상술한 각각의 구성요소의 구성이나 기능이 서로 동일하므로 동일한 부재번호로 나타내었다.
도2의 제조장치(100)와 비교할 때 도9의 제조장치(200)는 전해질막(10)의 상부면에 제1 촉매전극층(25)을 인쇄하는 공정과 전해질막(10)의 하부면에 제2 촉매전극층(35)을 인쇄하는 공정이 순차적으로 이루어지도록 구성된 점에서 차이가 있다. 즉 도9의 제조장치(200)에서는 하부 히팅롤(60)이 상부 히팅롤(50)보다 더 하류측에 배치되고 그에 따라 하부 전사필름 공급수단(31,32)도 상부 전사필름 공급수단(21,22)보다 더 하류측에 배치된다. 상부 히팅롤(50)의 하부에는 상부 히팅롤(50)을 지지하며 전해질막(10)과 상부 전사필름(20)을 밀착하고 가압하기 위한 제1 지지롤(81)에 위치하고, 하부 히팅롤(60)의 상부에는 하부 히팅롤(60)을 지지하며 전해질막(10)과 하부 전사필름(30)을 밀착하고 가압하기 위한 제2 지지롤(81)에 위치한다.
제2 실시예의 막전극 제조장치(200)의 제어부(40)도 도7과 도8에서 설명한 제어동작을 동일하게 수행할 수 있다. 예를 들어 제어부(40)는 위치센서(71,72,73,74)의 감지 결과에 기초하여 상부 히팅롤(50)과 하부 히팅롤(60) 중 적어도 하나의 회전속도를 조절하여 전해질막(10)의 상부면과 하부면의 정확히 마주보는 영역에 제1 촉매전극층(25)과 제2 촉매전극층(35)이 코팅될 수 있도록 제어할 수 있다.
또한 제어부(40)는 위치센서(71,72,73,74)의 감지 결과에 기초하여 상부 전사필름 공급수단의 공급롤(21)과 회수롤(22) 중 적어도 하나의 회전속도 제어 및/또는 사행제어를 수행하여 상부 전사필름(20)의 제1 촉매전극층(25)과 상부 히팅롤(50)의 돌출면(55)의 위치를 정렬시킬 수 있고, 또한 하부 전사필름 공급수단의 공급롤(31)과 회수롤(32) 중 적어도 하나의 회전속도를 제어하여 하부 전사필름(30)의 제2 촉매전극층(35)과 하부 히팅롤(60)의 돌출면(65)의 위치를 정렬시킬 수 있고, 이에 의해 제1 또는 제2 촉매전극층(25,35)의 중심 영역만 전해질막(10)으로 전사하고 가장자리 영역(27,37)은 전사되지 않고 전사필름(20,30)에 남겨지도록 하여 막전극 접합체가 균일한 두께의 촉매전극층을 가질 수 있도록 한다.
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 전해질막 20, 30: 촉매전극층
40: 제어부 50, 60: 히팅롤
55, 65: 돌출면 71, 72, 73, 74: 위치센서
81, 82: 지지롤 100, 200: 막전극 접합체 제조장치

Claims (10)

  1. 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조장치로서,
    롤 형상의 전해질막을 공급하는 전해질막 공급수단;
    하부면에 소정 형상의 제1 촉매전극층이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 제1 전사필름을 공급하는 제1 전사필름 공급수단; 및
    표면에 형성된 하나 이상의 돌출면을 구비하고 이 돌출면이 제1 촉매전극층을 상기 전해질막에 밀착시켜 가열 가압하도록 구성된 제1 히팅롤;을 포함하고,
    상기 제1 히팅롤의 가열 가압에 의해 제1 촉매전극층을 상기 전해질막에 전사하는 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 촉매전극층의 가장자리 영역이 상기 전해질막에 전사되지 않도록, 상기 제1 히팅롤의 돌출면의 면적이 상기 제1 촉매전극층의 면적보다 작은 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제1 히팅롤의 후단에 배치되고, 제1 전사필름에서 상기 전해질막으로 전사되고 남은 제1 전사필름의 잔여 촉매전극층을 감지하는 제1 위치센서; 및
    상기 제1 위치센서의 감지 결과에 기초하여 제1 전사필름의 제1 촉매전극층을 상기 제1 히팅롤의 돌출면에 정렬하도록 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상부면에 소정 형상의 제2 촉매전극층이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 제2 전사필름을 공급하는 제2 전사필름 공급수단; 및
    표면에 형성된 하나 이상의 돌출면을 구비하고 이 돌출면이 제2 촉매전극층을 상기 전해질막에 밀착시켜 가열 가압하도록 구성된 제2 히팅롤;을 포함하고,
    상기 제2 히팅롤의 가열 가압에 의해 제2 촉매전극층을 상기 전해질막에 전사하는 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제2 촉매전극층의 가장자리 영역이 상기 전해질막에 전사되지 않도록, 상기 제2 히팅롤의 돌출면의 면적이 상기 제2 촉매전극층의 면적보다 작은 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    제2 히팅롤의 후단에 배치되고, 제2 전사필름에서 상기 전해질막으로 전사되고 남은 제2 전사필름의 잔여 촉매전극층을 감지하는 제2 위치센서; 및
    상기 제어부는, 상기 제2 위치센서의 감지 결과에 기초하여 제2 촉매전극층을 상기 제2 히팅롤의 돌출면에 정렬하도록 제어하는 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  7. 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조방법으로서,
    하부면에 소정 형상의 촉매전극층이 일정 간격으로 코팅된 롤 형상의 전사필름을 롤 형상의 전해질막의 상측으로 공급하는 단계; 및
    표면에 하나 이상의 돌출면이 형성된 히팅롤을 이용하여 상기 촉매전극층을 상기 전해질막의 상부면에 전사하는 단계;를 포함하고,
    상기 전사하는 단계에서, 상기 히팅롤의 돌출면이 상기 촉매전극층을 상기 전해질막의 상부면에 밀착시키고 가열 가압하여 상기 촉매전극층을 상기 전해질막에 전사하는 것인, 막전극 접합체 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전사필름에서 상기 전해질막으로 전사되고 남은 잔여 촉매전극층을 감지하는 단계; 및
    상기 감지에 기초하여 상기 전사필름 공급롤의 동작을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것인, 막전극 접합체 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 잔여 촉매전극층을 감지하는 단계가, 상기 전사필름에서 전해질막으로 촉매전극층이 전사되어 제거된 영역을 둘러싸는 상기 잔여 촉매전극층의 폭을 측정하는 단계를 포함하는 것인, 막전극 접합체 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전사필름 공급롤의 동작을 제어하는 단계가, 상기 잔여 촉매전극층의 측정된 폭에 기초하여 상기 전사필름의 이송속도제어 및 사행제어 중 적어도 하나의 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것인, 막전극 접합체 제조방법.
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